Измерительные приборы напряжения. Измерение напряжения. Виды и принцип измерений. Особенности. Виды измерителей напряжения
В ходе эксплуатации электросети или какого-либо прибора приходится выполнять измерение силы тока.
Из данной статьи вы узнаете, что понимается под этим термином и какие инструменты используются для этой цели.
Заодно поговорим о мерах безопасности при проведении подобных работ.
Единица измерения силы тока
Силой тока в физике принято называть величину заряда, пересекающего поперечное сечение проводника за единицу времени. Единица измерения - ампер (А). Силу в 1 А имеет такой ток, при котором за 1-у секунду через сечение проводника проходит заряд в 1 кулон (Кл).
Силу тока можно сравнить с напором воды. Как известно, в старину небольшие речки перегораживали плотинами, чтобы создать напор, способный вращать колесо мельницы.
Чем более сильным был напор, тем более производительную мельницу можно было привести с его помощью в движение.
Точно так же и сила тока характеризует работу, которую может выполнить электричество. Простой пример: лампочка при увеличении силы тока в цепи будет гореть ярче.
Зачем нужно знать, какой силы ток протекает в проводнике? От силы тока зависит то, как он будет действовать на человека при случайном контакте с токоведущими частями. Производимый электричеством эффект отобразим в таблице:
| Сила тока, А (переменный с частотой 50 Гц) | Эффект |
| Менее 0,5 мА | является незаметным для человека |
| От 0,5 до 2 мА | Появляется нечувствительность к различным раздражителям |
| От 2 до 10 мА | Болевые ощущения, спазм мышц |
| От 10 мА до 20 мА | Усиленные спазмы, некоторые ткани повреждаются. При силе тока от 16 мА человек теряет способность разжать или отдернуть руку, чтобы разомкнуть контакт с токоведущей частью |
| От 20 мА до 100 мА | Дыхательный паралич |
| От 100 мА до 3 А | Фибрилляция сердца, нужны безотлагательные меры по реанимированию пострадавшего |
| Свыше 3 А | Сильные ожоги, остановка сердца (при кратковременном воздействии возможность реанимирования сохраняется) |
А вот еще несколько причин:
- Сила тока характеризует нагрузку на проводник. Максимальная пропускная способность последнего зависит от материала и площади поперечного сечения. Если сила тока окажется слишком большой, провод или кабель будет сильно греться. Это может привести к расплавлению изоляции с последующим коротким замыканием. Вот почему проводку всегда защищают от перегрузок автоматическими выключателями или предохранителями. С особым вниманием к протекающей в проводах силе тока следует отнестись владельцам квартир и домов со старой проводкой: ввиду применения все большего количества электроприборов она часто оказывается в перегруженном состоянии.
- По соотношению значений силы тока в различных цепях электроприбора можно сделать вывод о его исправности. Например, в фазах электродвигателя должны протекать токи равной силы. Если наблюдаются расхождения, значит двигатель неисправен либо работает с перегрузкой. Таким же способом определяется состояние нагревательного прибора или электрического «теплого пола»: замеряется сила тока во всех составляющих устройства.
Работа электричества, точнее говоря его мощность (количество работы за единицу времени), зависит не только от силы тока, но и от напряжения. Собственно говоря, произведение этих величин и определяет мощность:
W = U * I,
- W – мощность, Вт;
- U – напряжение, В;
- I – сила тока, А.
Таким образом, зная напряжение в сети и мощность прибора, можно рассчитать, какая сила тока будет через него протекать при условии исправного состояния: I = W/U. К примеру, если известно, что мощность обогревателя составляет 1,1 кВт и работает он от обычной сети напряжением 220 В, то сила тока в нем составит: I = 1100 / 220 = 5 А.
Формула измерения силы тока
При этом нужно учитывать, что согласно законам Кирхгофа сила тока в проводе до разветвления представляет собой сумму токов в ветвях. Поскольку в квартире или доме все приборы подключаются по параллельной схеме, то если, допустим, одновременно работают два прибора с током в 5 А, то в подводящем проводе и в общем нулевом будет протекать ток силой в 10 А.
Обратная операция, то есть расчёт мощности потребителя путем перемножения измеренной силы тока на напряжение, не всегда дает правильный результат. Если в устройстве-потребителе имеются обмотки, как например в электродвигателях, которым присуще индуктивное сопротивление, часть мощности будет расходоваться на преодоление этого сопротивления (реактивная мощность).
Чтобы определить активную мощность (полезная работа электричества), нужно знать фактический коэффициент мощности для данного прибора, представляющий собой соотношение активной и реактивной мощностей.
Приборы для измерения силы тока и напряжения
Вот какие измерительные инструменты помогут электрику в данном вопросе:
Амперметр
Существует несколько разновидностей данного прибора, которые различаются принципом действия:
- Электромагнитный: внутри имеется катушка, протекаю по которой ток создает электромагнитное поле. Это поле втягивает в катушку железный сердечник, связанный со стрелкой. Чем большей будет сила тока, тем сильнее будет втягиваться сердечник и тем более будет отклоняться стрелка.
- Тепловой: в приборе установлена натянутая металлическая нить, связанная со стрелкой. Протекающий ток вызывает нагрев нити, степень которого зависит от силы тока. А чем сильнее нагреется нить, тем сильнее она удлинится и провиснет, соответственно, тем сильнее отклонится стрелка.
- Магнитоэлектрический: в приборе имеется постоянный магнит, в поле которого находится связанная со стрелкой алюминиевая рамка с намотанной на нее проволокой. При протекании через проволоку электрического тока рамка в магнитном поле стремится повернуться на некоторый угол, который зависит от силы протекающего тока. А от угла поворота зависит положение стрелки, отмечающей на шкале значение силы тока.
- Электродинамический: внутри прибора имеются две последовательно соединенные катушки, одна из которых является подвижной. При протекании по катушкам тока в результате взаимодействия возникающих при этом электромагнитных полей подвижная катушка стремится повернуться относительно неподвижной и при этом тянет за собой стрелку. Угол поворота будет зависеть от силы протекающего тока.
- Индукционный: ток пропускается через обмотки неподвижных катушек, соединенных магнитной системой. В результате образуется вращающееся или бегущее электромагнитное поле, воздействующее с некоторой силой (зависит от силы тока) на подвижный металлический цилиндр или диск. Тот связан со стрелкой.
- Электронный: такие приборы еще называют цифровыми. Внутри имеется электрическая схема, информация выводится на жидкокристаллический дисплей.
Мультиметр для измерения силы тока
Так принято называть универсальный электронный измеритель параметров тока. Он может переключаться как в режим амперметра, так и в режим вольтметра, омметра и мегомметра (измеряются сопротивления большой величины, обычно изоляции).
Измерение силы тока мультиметром
Результаты измерений отображаются на жидко-кристаллическом дисплее. Для работы прибору необходимо питание от батареек.
Тестер
По функциональности это тот же мультиметр, но аналоговый. Результаты измерений обозначаются на шкале при помощи стрелки, батарейки требуются только при наличии омметра.
Измерительные клещи
Измерительные клещи более практичны. Ими нужно просто зажать участок тестируемого провода, после чего прибор покажет силу протекающего в нем тока.
При этом нужно учитывать, что в клещах должен оказаться только проверяемый проводник. Если зажать несколько проводников, прибор покажет геометрическую сумму токов в них.
Измерительные клещи
Таким образом, при помещении в токоизмерительные клещи 1-фазного провода целиком прибор покажет «нуль», так как в фазном и нулевом проводниках протекают разнонаправленные токи одинаковой величины.
Методы измерения
Первые три прибора для проведения измерений должны быть включены в цепь нагрузки последовательно с ней, то есть в разрыв провода. Для 1-фазной сети это может быть как фазный, так и нулевой провод. Для 3-фазной - только фазный, так как в нулевом протекает геометрическая сумма токов во всех фазах (при одинаковой нагрузке равна нулю).
Отметим два важных обстоятельства:
- В отличие от вольтметра (измеритель напряжения), амперметр нельзя использовать без нагрузки, иначе получится короткое замыкание.
- Щупами прибора можно касаться проводов или контактов только при отсутствии напряжения, то есть тестируемая линия должна быть обесточена. В противном случае между близко расположенными щупом и проводом может возникнуть дуга с выделением тепла, достаточного для расплавления металла.
Все измерительные приборы имеют переключатель диапазона, которым регулируется чувствительность.
Заземление необходимо для безопасной эксплуатации электричества. – наиболее важный компонент электрической сети.
Трансформатор 220 на 12 Вольт – назначение и рекомендации по изготовлению вы найдете .
Заметим, что ток, потребляемый некоторыми приборами, такими как телевизионная и компьютерная техника, энергосберегающие и светодиодные лампы, не является синусоидальным.
Поэтому некоторые измерительные приборы, принцип действия которых ориентирован на переменное напряжение, могут определять значение силы такого тока с ошибкой.
Видео на тему
В процессе эксплуатации бытовых электроприборов возникают ситуации, когда требуется измерение напряжения. Для проверки работоспособности розеток не всегда достаточно однополюсного указателя: наличие фазы он проверит, а вот для диагностики обрыва нулевого провода этот метод не поможет. То же самое относится и к неисправностям осветительных приборов. Для определения целостности удлинителей и шнуров питания бытовых приборов метод измерения напряжения является более наглядным.
При помощи вольтметра выявляются такие неисправности, как некачественное контактное соединение, снижающее величину напряжения на нагрузке. Указатель покажет наличие на ней фазы, но из-за недостаточной величины напряжения электроприбор может работать с пониженной мощностью (обогреватель) или не работать совсем (телевизор, компьютер, стиральная машина).
Только измерением можно определить наличие повышенного или пониженного напряжения в электрической сети. Завышенное напряжение – частая причина поломок бытовой техники. Электроприборы начинают потреблять больший ток и работать в режиме, не предусмотренном производителем. Следствие этого – сокращение ресурса работы. Лампы накаливания при завышенном напряжении не только быстрее перегорают, но и взрываются при включении.
Заниженное значение напряжения в сети не менее опасно для бытовых электроприборов. Электроинструмент перегревается, а компрессор холодильника выходит из строя.
Причины и методы измерений колебаний напряжения
Согласно ГОСТ 13109 величина напряжения в сети не должны выходить из диапазона 198 – 242 В (220В ± 10%). Если у вас часто выходят из строя лампы, периодически изменяется их световой поток или при загадочных обстоятельствах выходит из строя бытовая техника, нужно проверить величину напряжения в электропроводке. Во избежание ненужных поломок электроприборов, до окончания проверки лучше отключить от сети все лишнее.
Измерения производятся либо постоянным наблюдением за подключенным к сети вольтметром или мультиметром, либо периодическим (раз в полчаса) измерением в фиксацией показаний. Величина напряжения в сети не постоянна и изменяется в зависимости от степени загруженности. Самое высокое значение будет ночью, когда все спят и не пользуются электроприборами.
При колебаниях и провалах напряжения, возникающих на короткое время, для контроля полезно использовать лампы накаливания. Если лампочка вдруг потускнеет или ярче загорится – в тот же момент производится измерение напряжения в сети. Причиной таких колебаний является подключение к сети мощных потребителей, снижающих напряжение в фазе, к которой они подключены. В оставшихся фазах напряжение может наоборот – вырасти.
Посадки напряжения, вызванные работой сварочного аппарата, легко выявляются при помощи лампы накаливания. Она будет снижать яркость свечения при сварке и гореть совсем тускло в моменты «залипания» электрода. Тот, кто хоть иногда пользовался сварочным аппаратом, по ритму изменений яркости лампы безошибочно определит, что провалы напряжения вызваны именно им.
Самая серьезная причина изменения величины напряжения – обрыв нуля в трехфазной питающей сети. Все потребители дома или поселка равномерно распределяются по трем фазам. При наличии нуля напряжение у всех примерно одинаковое и незначительно зависит от нагрузки по фазам. Но при его обрыве напряжение перераспределяется таким образом, что на фазе с минимальной нагрузкой напряжение становится наибольшим. При нагрузке, близкой к нулю, напряжение приближается к 380 В.
При подозрении на обрыв нуля (резкие изменения яркости свечения ламп, как в большую, так и в меньшую сторону, изменение тона работы компрессора холодильника, частоты вращения электроинструмента), немедленно обесточьте всю квартиру и измерьте напряжение на вводе.
Линейные и фазные напряжения
При выполнении измерений в электрощитах полезно знать, чем отличается линейное напряжение от фазного. На вход трехфазных щитков приходят кабели с четырьмя-пятью жилами. Три жилы – это «фазы», четвертая жила четырехжильного кабеля – совмещенный нулевой проводник. Назначение двух оставшихся жил пятижильного кабеля – рабочий ноль и защитный ноль.
Напряжение между любыми двумя фазами называется линейным и равно 380 В. Напряжение между фазой и нулевым рабочим (совмещенным) проводником называется фазным и равно 220 В. Напряжение между фазой и нулевым защитным проводником в нормальном режиме работы сети равно фазному, между защитным и рабочим проводниками – нулю.
Однофазные щитки получают питание от двух- или трехжильных кабелей, все автоматические выключатели них – однополюсные. Напряжение в них измеряется между фазой и нулем и оно – только фазное, равное 220 В.
Как измерить напряжение?
Для измерений используются приборы:
— вольтметр – специализированный прибор, предназначенный только для измерения напряжения;
— мультиметр – комбинированный цифровой прибор, предназначенный для измерения ряда электрических величин ();
— тестер – комбинированный аналоговый прибор, выполняющий функции мультиметра., но в отличие от него имеющий шкалу со стрелкой.
Перед использованием нужно обратить внимание на состояние изоляции соединительных проводов прибора и изучить инструкцию по его эксплуатации. При использовании мультиметров и тестеров – правильно выбрать род тока и предел измерения.
| Род тока | Обозначение на мультиметре | Обозначение на тестере |
| Переменный | АС | ~ |
| постоянный | DC | = |
Предел измерения всегда первоначально выставляется больше ожидаемого. При измерении напряжений в трехфазном щитке он не должен быть ниже 500 В.
При измерениях напряжений источников постоянного тока нужно соблюдать полярность подключения прибора. Для тестера это очень важно, так как при ошибке в подключении его стрелка отклонится в обратную сторону. Мультиметр при обратной полярности покажет на индикаторе перед измеренным значением знак «–». И не забудьте переключить прибор в режим измерения постоянного напряжения.
При ремонте электронного устройства или при эксплуатации электрических цепей приходится сталкиваться с необходимостью провести измерение напряжения и тока какой-либо цепи. Для этого существуют как специальные приборы, так и универсальные. Использовать их совсем несложно, но для этого следует иметь хотя бы простейшее представление, как ими пользоваться.
Физическое определение величин
Взаимодействие и движение электрических зарядов было описано в 1600 году учёным из Англии Уильямом Гильбертом, который ввёл в обиход понятие электричества. Им было обнаружено, что в различных физических телах существуют заряды, способные образовывать электрическое поле и тем самым оказывать воздействие на другие заряженные тела.
Впоследствии было установлено, что заряженные частички разделяются на положительные и отрицательные заряды , при этом с одинаковым знаком друг от друга отталкиваются, а с противоположным - притягиваются. Кроме этого, физики Эрстед, Фарадей, Максвелл, экспериментировавшие с телами, открыли электромагнетизм, который заключается в появлении магнитного поля при перемещении заряженных частиц.
Таким образом, было введено два понятия - ток и напряжение. Первое обозначает упорядоченное движение зарядов, а второе - силу, которую необходимо затратить для переноса единичного заряда без влияния на остальные заряженные частицы, находящиеся в теле. Так как при этом изменяется энергия заряда, то напряжение характеризуется разностью потенциала энергий до и после перемещения заряда.
Изучавший в 1826 году электрические свойства материалов немецкий учёный Георг Симон Ом провёл серию экспериментов, в результате чего им был сформулирован закон для участка цепи. Он установил, что величина тока прямо пропорциональна разности потенциалов и обратно пропорциональна сопротивлению, тем самым обнаружив связь электрических величин между собой. Так появились понятия: электродвижущая сила, падение напряжения, проводимость.
Электрическое напряжение
Обозначая количественно работу по перемещению заряда из одной точки в другую, выделяют различные виды напряжения. Зависят они от протекающих токов. Для их обозначения используются различные термины и способы вычисления. Разность потенциалов может быть:
- Постоянной, возникающей в электростатических цепях и контурах постоянного электротока.
- Переменной, проявляющейся при возникновении переменного тока.
Единицей измерения физической величины любого вида был принят вольт в честь выдающегося учёного Алессандро Вольта, сконструировавшего первый источник тока. А графическим обозначением стал знак U. Математически напряжение описывается следующей формулой:
U = A/q, где U - разность потенциалов, A - совершаемая электрическим полем работа, q - заряд.
Специализированный прибор, предназначенный для измерения напряжения, называется вольтметром. Для того чтобы измерить разность потенциала, он подключается параллельно источнику энергии или элементу, на котором измеряется падение напряжения.
Так как при параллельном соединении элементов сила электротока распределяется между ними, идеальный измерительный прибор должен иметь бесконечно большое внутреннее сопротивление. Но на практике такого не может быть, поэтому чем выше сопротивление прибора, тем точнее его результат измерения.
Вольтметры выпускаются как для измерения только постоянного или переменного напряжения, так и универсальные. При этом по принципу работы они могут быть:
- Цифровые. Их работа основана на использовании аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и жидкокристаллического дисплея.
- Аналоговые. Главным элементом такого типа прибора является электродинамическая головка, отклонения стрелки которой по проградуированной шкале позволяет измерить напряжение.
Для измерения постоянного сигнала измеряемое напряжение преобразуется в сигнал прямоугольной формы методом широтно-импульсной модуляции. Затем усиливается и выпрямляется детектором, работающим по принципу удвоения напряжения. Далее, сигнал обрабатывается микроконтроллером, который визуализирует полученные данные на экране в виде цифр. Работа вольтметра переменного напряжения основана на преобразовании переменного сигнала в постоянный, прямо пропорциональный измеряемому значению переменного напряжения.
Для того чтобы появился электрический ток, необходимо выполнение двух условий: физическое тело должно обладать свободными частицами, и на них должна воздействовать сила, двигающая их в одном направлении. Наиболее подходящими телами являются металлы - проводники. Если такой проводник поместить в электрическое поле, то под его действием в металле начнётся направленное перемещение зарядов, то есть образуется ток.
Как и в случае с разностью потенциалов, ток может быть двух видов:
- Постоянный. Характеризуется упорядоченным движением зарядов, направление которых не изменяется продолжительное время.
- Переменный. Это такой электроток, который может изменять во времени как свою величину, так и направление движения.
Единицей измерения тока любого вида принят ампер. На схемах и в литературе электроток обозначается символом I. Вычислить его можно по формуле:
I = ΔQ / Δt, где I - сила тока, ΔQ - количество заряда, Δt - промежуток времени.
Сила тока измеряется с помощью специального прибора - амперметра. Включается он последовательно в цепь на том участке, на котором проводятся измерения.
Идеальным считается прибор с нулевым значением внутреннего сопротивления. Поэтому чем меньше его сопротивление, тем точнее будут измерения.
По своей конструкции приборы могут быть:
- Стрелочными. Основу их конструкции составляет электроизмерительная головка разной системы: магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической.
- Дискретными. Такой прибор состоит из АЦП и преобразует измеренную силу тока в цифровой сигнал, который потом отображается на экране.
А также все амперметры разделяют на устройства измерения силы тока постоянного и переменного напряжения. При измерении величины постоянного тока используют шунтирование измерительной головки. Это делается, чтобы не спалить катушку, располагающуюся на ней. Тогда при прохождении постоянного электротока через прибор он будет разделяться на ток шунта и головки.
Шунт кратен 10, то есть 1 к 10, 1 к 100 и т. д. , а после отклонения стрелки результат просто умножается на это число. Для измерения переменного тока в прибор добавляется измерительный трансформатор тока, вторичная обмотка которого подключается к амперметру. Шкала прибора размечается исходя из наибольшего тока, текущего через первичную обмотку трансформатора.
Амперметр и вольтметр
Перед началом работы с приборами их необходимо настроить и выполнить калибровку. При этом измерения должны проводиться при температуре около двадцати градусов по Цельсию. Связанно это с тем, что физические свойства материалов зависят от температуры. Особенно это касается проводимости. Самые простые устройства, аналоговые, представляют собой выполненный из пластмассы корпус, в котором располагается:
- электроизмерительная головка;
- резистор (шунт);
- проградуированная на заводе шкала;
- контактные выводы.
В амперметре резистор располагается параллельно электродинамической головке, а в вольтметре - последовательно. На шкалу наносятся номиналы значений от нуля до предельной величины, а также обязательно указывается единица измерения и форма сигнала, например, А - ампер, mA - миллиампер, V - вольт, mV - милливольт.
При измерении прибор должен быть установлен на ровную горизонтальную поверхность. С помощью регулятора, часто сделанного под шлицевую отвёртку, устанавливается положение стрелки, соответствующее цифре ноль. Как только калибровка выполнена, можно приступать непосредственно к измерениям:
- К контактам тестера подключаются два провода: один - к положительной клемме, другой - к отрицательной.
- При работе с вольтметром обратными концами проводов (щупами) дотрагиваются до точек, между которыми необходимо измерить напряжение. Таким образом, его подключение окажется параллельным. Для измерения амперметром необходимо разорвать электролинию, в которой проводится замер, и к разорванным концам подключить щупы. При этом и в том, и другом случае важно соблюдать полярность. Это значит, что положительный полюс прибора должен совпадать с плюсом на схеме. Хотя для переменной формы сигнала это неважно.
- По отклонению стрелки определяется измеряемая величина.
Если при измерении стрелка отклоняется в левую сторону от нуля, это значит, что неправильно подключена полярность. Долго в неправильном подключении оставлять прибор нельзя, так как электроизмерительная головка выйдет из строя.
Работа с цифровым тестером при измерении аналогична использованию аналогового прибора, но предварительная калибровка в них не выполняется. Для работы дискретных тестеров необходим источник питания, поэтому перед измерением нужно убедиться в его исправности.
Универсальный прибор
В быту специализированными приборами почти не пользуются, так как для этого существуют комбинированные приборы - мультиметры. По принципу работы они разделяются на цифровые и аналоговые устройства. Универсальные приборы могут измерять электрические величины различного рода и форм. Для этого тестер оснащается галетным переключателем, которым выбирается измеряемая величина и диапазон её значений. Но встречаются приборы и с автоматическим подбором этого диапазона.
Цифровой использует в своей работе сравнение эталонного и входного сигнала. Разность потенциалов измеряется прямым подключением прибора, а замер тока основан на определении падения напряжения на внутренней резистивной нагрузке тестера. Аналоговый вид использует в конструкции электромеханическую головку, помещённую в рамку, создающую магнитное поле. В зависимости от входного сигнала стрелка в рамке отклоняется. В зависимости от силы этого отклонения и вычисляется измеряемая величина.
Перед тем как приступить к работе, мультиметр нужно проверить на исправность его источника питания. В случае его негодности на цифровом приборе при включении загорается индикация с мигающей батарейкой. Для стрелочного же прибора показанием к замене батареек будет невозможность выставить стрелку в нулевое положение.
На лицевой панели мультиметров располагаются переключатели, позволяющие выбрать тот или иной режим работы тестера. Кнопка ON/OFF включает или выключает устройство. Кроме этого, в тестере могут быть следующие разъёмы:
- 10А - измерения силы тока c пределом до десяти ампер;
- mA - измерение тока в миллиамперах;
- СОМ - гнездо для подключения щупа отрицательного полюса;
- V/Ω - для присоединения щупа положительного полюса.
Перед проведением измерений нужно подключить к тестеру пару проводов. Один провод (минусовой) вставляется в гнездо COM, а другой (плюсовой) - V/Ω. На одном конце каждого из проводов находится штекер, предназначенный для установки в гнездо измерителя, а на другом - контактный щуп. Для того чтобы померить напряжение, следует выполнить следующие действия:
- Нажатием кнопки ON/OFF включить мультиметр.
- Для измерения постоянного напряжения переключатель установить в зону тестера, обозначенную DCV или V-, а переменного - ACV или V ~.
- Перемещением этого же переключателя установить максимально возможное напряжение.
- Касанием щупов, соблюдая полярность, стать в точках измерения.
Через одну секунду на экране высветится число, обозначающее измеряемое напряжение.
Как и при измерении напряжения, перед началом замера к тестеру подключается измерительная пара проводов. В разъём COM вставляется общий провод, а плюсовой - в mA или A. Далее измерения проводятся в следующем порядке:
Таким же образом проводятся измерения и с использованием аналогового устройства. Но результат измерения определяется не по дисплею, а по отклонению стрелки.
Вольтметр – это измерительный прибор, который предназначен для измерения напряжения постоянного или переменного тока в электрических цепях.
Вольтметр подключается параллельно к выводам источника напряжения с помощью выносных щупов. По способу отображения результатов измерений вольтметры бывают стрелочные и цифровые.
Величина напряжения измеряется в Вольтах , обозначается на приборах буквой В (в русском языке) или латинской буквой V (международное обозначение).
На электрических схемах вольтметр обозначается латинской буквой V, обведенной окружностью, как показано на фотографии.
Напряжение тока бывает постоянное и переменное. Если напряжение источника тока переменное, то перед значением ставится знак "~ ", если постоянного, то знак "– ".
Например, переменное напряжение бытовой сети 220 Вольт кратко обозначается так: ~220 В или ~220 V . На батарейках и аккумуляторах при их маркировке знак "– " часто опускается, просто нанесено число. Напряжение бортовой сети автомобиля или аккумулятора обозначается так: 12 В или 12 V , а батарейки для фонарика или фотоаппарата: 1,5 В или 1,5 V . На корпусе в обязательном порядке наносится маркировка возле положительного вывода в виде знака "+ ".
Полярность переменного напряжения изменяется во времени. Например, напряжение в бытовой электропроводке изменяет полярность 50 раз в секунду (частота изменения измеряется в Герцах, один Герц равен одному изменению полярности напряжения в одну секунду).
Полярность постоянного напряжения во времени не меняется. Поэтому для измерения напряжения переменного и постоянного тока требуются разные измерительные приборы.
Существуют универсальные вольтметры, с помощью которых можно измерять как переменное, так и постоянное напряжение без переключения режимов работы, например, вольтметр типа Э533.
Как измерять напряжение в электропроводке бытовой сети
Внимание! При измерении напряжения величиной выше 36 В недопустимо прикосновение к оголенным провода,так как это может привести к поражению электрическим током!
Согласно требованиям ГОСТ 13109-97 действующее значение напряжения в электрической сети должно быть 220 В ±10% , то есть может изменяться в пределах от 198 В до 242 В . Если в квартире стали тускло гореть лампочки или часто перегорать, стала нестабильно работать бытовая техника, то для принятия мер, требуется сначала измерять значение напряжения в электропроводке.
Приступая к измерениям, необходимо подготовить прибор:
– проверить надежность изоляции проводников с наконечниками и щупов;
– установить переключатель пределов измерений в положение измерения переменного напряжения не менее 250 В;
– вставить разъемы проводников в гнезда прибора ориентируясь по надписям возле них;
– включить измерительный прибор (если необходимо).
Как видно на картинке, в тестере выбран предел измерения переменного напряжения 300 В, а в мультиметре 700 В. Во многих моделях тестеров, нужно установить в требуемое положение сразу несколько переключателей. Род тока (~ или –), вид измерений (В, А или Омы) и еще вставить концы щупов в нужные гнезда.
В мультиметре конец щупа черного цвета вставлен в гнездо COM (общее для всех измерений), а красного в V, общий для изменения постоянного и переменного напряжения, тока, сопротивления и частоты. Гнездо, обозначенное ma , используются для измерения малых токов, 10 А при измерении тока достигающего 10 А.
Внимание! Измерение напряжения, когда штекер вставлен в гнездо 10 А выведет прибор из строя. В лучшем случае перегорит вставленный внутри прибора предохранитель, в худшем придется покупать новый мультиметр. Особенно часто допускают ошибки при использовании приборов для измерения сопротивления, и, забыв переключить режим, измеряют напряжение. Встречал не один десяток таких неисправных приборов, с горелыми резисторами внутри.
После проведения всех подготовительных работ можно приступать к измерению. Если Вы включили мультиметр, а на индикаторе не появились цифры, значит, либо в прибор не установлена батарейка или она уже выработала свой ресурс. Обычно в мультиметрах применяется батарейка типа «Крона», напряжением 9 В, срок годности которой один год. Поэтому, даже если прибор не использовался долгое время, батарейка может быть неработоспособна. При эксплуатации мультиметра в стационарных условиях целесообразно вместо кроны использовать адаптер ~220 В/–9 В.
Вставляете концы щупов в розетку или прикасаетесь ними к проводам электропроводки.
Мультиметр сразу покажет напряжение в сети, а вот в стрелочном тестере показания надо еще уметь прочитать. На первый взгляд, кажется, что сложно, так как много шкал. Но если присмотреться, то становится ясно, по какой шкале считывать показания прибора. На рассматриваемом приборе типа ТЛ-4 (который безотказно мне служит более 40 лет!) есть 5 шкал.
Верхняя шкала используется для снятия показаний, когда переключатель стоит в положениях кратных 1 (0,1, 1, 10, 100, 1000). Шкала, расположенная чуть ниже, кратных 3 (0,3, 3, 30, 300). При измерениях напряжения переменного тока величиной 1 В и 3 В, нанесены еще 2 дополнительные шкалы. Для измерения сопротивления имеется отдельная шкала. Аналогичную градуировку имеют все тестеры, но кратность может быть любая.
Так как предел измерений был выставлен ~300 В, значит, отсчет нужно производить по второй шкале с пределом 3, умножив показания на 100. Цена маленького деления равна 0,1, следовательно, получается 2,3 + стрелка стоит посередине между штрихами, значит, берем значение показаний 2,35×100=235 В.
Получилось, что измеренное значение напряжения составляет 235 В, что в пределах допустимого. Если в процессе измерений наблюдается постоянное изменение значения цифр младшего разряда, а у тестера стрелка постоянно колеблется, значит, имеются плохие контакты в соединениях электропроводки и необходимо провести ее ревизию.
Как измерять напряжение батарейки
аккумулятора или блока питания
Так как напряжение источников постоянного тока обычно не превышает 24 В, то прикосновение к клеммам и оголенным проводам не опасно для человека и особых мер безопасности соблюдать не требуется.
Для того, чтобы оценить годность батарейки, аккумулятора или исправность блока питания требуется измерять напряжение на их выводах. Выводы у круглых батареек находятся по торцам цилиндрического корпуса, положительный вывод обозначен знаком «+».
Измерение напряжения постоянного тока практически мало чем отличается от измерения переменного. Нужно просто переключить прибор в соответствующий режим измерения и соблюдать полярность подключения.
Величина напряжения, которое создает батарейка обычно нанесена на ее корпусе. Но даже если результат измерений показал достаточное напряжение, это еще не говорит о том, что батарейка хорошая, так как измерена ЭДС (электро движущая сила), а не емкость батарейки, от которой зависит продолжительность работы изделия, в которое она будет установлена.
Для более точной оценки емкости батарейки нужно напряжение измерять, подсоединив к ее полюсам нагрузку. В качестве нагрузки для батарейки 1,5 В хорошо подходит лампочка накаливания для фонарика, рассчитанная на напряжение 1,5 В. Для удобства работы нужно припаять к ее цоколю проводники.
Если напряжение под нагрузкой снижается менее, чем на 15%, то батарейка или аккумулятор вполне пригодны для эксплуатации. Если нет измерительного прибора, то можно судить о годности к дальнейшей эксплуатации батарейки по яркости свечения лампочки. Но такая проверка не может гарантировать продолжительность работы батарейки в устройстве. Она лишь свидетельствует, что в настоящее время батарейка еще пригодна к эксплуатации.
Приборы для измерения силы тока образуют подгруппу А-амперметры. Внутри этой подгруппы выделяют амперметры постоянного тока(А2), переменного тока А3),универсальные(А7) и преобразователи тока (А9).
Амперметры строятся на базе электромеханических приборов (см. раздел 2.1), которые по принципу своей работы позволяют измерять постоянные и переменные токи низкой частоты. На них распространяются требования ГОСТ, который устанавливает следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 5,0.Дополение электромеханических приборов преобразователями переменного тока в постоянный позволяет значительно расширить их возможности и использовать для измерения на радиочастотах.
Более обширна классификация приборов для измерения напряжения – вольтметры, образующие группу В. Среди приборов этой подгруппы выделяют вольтметры постоянного тока (В2), переменного (В3), импульсного тока (В4), фазочувствительные (В5), селективные (В6), универсальные (В7),измеритель отношения, разности и нестабильности напряжений (В8), преобразователь напряжений (В9).
Вольтметры постоянного и переменного тока низкой частоты могут строится на базе электромеханических приборов (см.раздел 2.1) согласно ГОСТ. Однако, как правило, вольтметры – это представители электронных измерительных приборов в аналоговом или цифровом вариантах. На электронные аналоговые вольтметры также распространяются требования ГОСТ, в частности вольтметры видов В3…В7 дополнительно классифицируются по измеряемому параметру напряжения на вольтметры амплитудного (блокового), среднеквадратического и средневыпрямленного напряжения. Они могут иметь классы точности 0,1; 0,2; 0,5;1,0; 1,5;2,5;4,0;5,0; 15; 25.
4.3 Измерение тока
Для измерения тока амперметр включают последовательно в разрыв измеряемой цепи. Амперметр любой системы можно представить в виде следующей эквивалентной схемы (рис. 4.1а), где LА,CА,RА, - индуктивность, емкость, сопротивление внутренней цепи амперметра. Очевидно, что включение амперметра в измеряемую цепь окажет на нее параметрическое и энергетическое влияние. Параметрическое влияние тем значительнее, чем выше частота и большеLАиCА, энергетическое – чем большеRА, так как при этом возрастет потребление мощности от измеряемой цепи.
Рисунок 4.1- Измерение тока высокой частоты:
а) эквивалентная схема амперметра;
б) включение амперметра;
в) структурная схема амперметра с преобразованием.
Для измерения тока высокой частоты следует использовать схему с преобразованием (рис 4.1 в), где сначала ток высокой частоты преобразуется в постоянный, который измеряют магнитоэлектрическим индикатором – микро или миллиамперметром. Преобразование осуществляют либо за счет теплового действия тока, либо путем его выпрямления. Поэтому высокочастотные амперметры представляют собой совокупность индикатора и преобразователя (рис. 4.1в), и называется термоамперметрами или выпрямителями.
Термоамперметр состоит из термоэлектрического преобразователя и магнитоэлектрического индикатора, шкалу которого градуируют в значениях измеряемого тока. Термоэлектрический преобразователь представляет собой тонкую проволоку из тугоплавкого металла, называемую нагревателем, и одну или несколько термопар, приваренных к его середине. Такой термопреобразователь называется контактным (рис.4.2.а). При прохождении измеряемого тока через нагреватель, место контакта нагревается и термопары нагреваются до температуры tº1, а холодный слойbостается при температуре окружающей средыtº0 . В результате, в термопаре возникает термоЭДС Ет, пропорциональная разности температур в месте контакта с нагревателем и внешних концов термопары. Индикатор присоединен к этим концам термопары и по нему протекает ток, пропорциональный квадрату среднеквадратического значения измеряемого тока:
Iи =Eт/(Rт +Rн), (4.7)
где Rт,Rн – сопротивления термопары и индикатора, т.о. , шкала термоэлектрического прибора близка к квадратичной.
На рис.4.2.б приведена схема бесконтактного термоэлектрического преобразователя. В контактном преобразователе имеется гальваническая связь между нагревателем и термопарой, т.е., между входной и выходной цепями, что не всегда допустимо. В бесконтактном преобразователе, преобразователь отделен от термопары из стекла или керамики, либо воздушной прослойкой.
Рисунок 4.2.- Термоэлектрический преобразователь
Термоэлектрические измерительные приборы получили распространение преимущественно для измерения токов. В качестве вольтметров они практически не применяются, так как их входное сопротивление мало. К достоинствам приборов термоэлектрической системы можно отвести высокую чувствительность к измеряемому току, широкий диапазон частот, а также возможность измерения средних квадратических значений токов произвольной формы. Недостатком термоэлектрических приборов является неравномерность шкалы, зависимость показаний от температуры окружающей среды и большая инерционность термопреобразований. Термоэлектрические приборы очень чувствительны к перегрузкам. В зависимости от назначения они имеют различные пределы измерения *(от 1 мА до 50 А), классы точности (от 0,1 до 2,5) и частный диапазон (от 45 Гц до сотен мегагерц). Термоамперметры обозначаются буквой «Т» и номером модели: Т20, Т29…
Выпрямительные приборы (амперметры) применяются для измерения силы тока и напряжения в частотном диапазоне от звуковых частот до высоких и сверхвысоких частот. Принцип работы таких приборов заключается в выпрямлении выпрямления переменного тока с помощью полупроводниковых диодов (рис.4.3). Постоянная составляющая выпрямленного тока измеряется прибором магнитоэлектрической системы (микроамперметром, миллиамперметром). В схеме прибора используют однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. В однополупериодных схемах (рис.4.3.а). Ток iчерез магнитоэлектрический прибор, включенный последовательно с диодом Д1, пропускается только в положительный полупериод. В отрицательный полупериод, для которого сопротивление диода Д1 велико, ток протекает через диод Д2, включенный параллельно прибору. Для уравнивания сопротивления параллельных ветвей последовательно со вторым диодом включен резисторR, сопротивление которого равно измерительной цепи прибора. Подвижная часть магнитоэлектрического прибора обладает механической инерцией и на частотах выше 10…20 Гц не успевает следить за
Рисунок 4.3 Выпрямительные приборы
Мгновенными значениями вращающегося момента, реагируя только на среднее значение момента. Для однополупериодного выпрямителя измеряемого тока синусоидальной формы:
а показания прибора
α = Si* Iср (4.9)
где Si– чувствительность магнитоэлектрического прибора по току; В двух полупериодных схемах выпрямителя (рис. 4.3.б) токi, протекающий через прибор, увеличиваются вдвое по сравнению с током, протекающим в схеме (рис 4.3 а).
Для синусоидального тока
Iср.в = 0,636 *Im(4.10)
Из (4.9) видно, что шкала выпрямительного прибора и при любой форме кривой измеряемого тока отклонение стрелки прибора пропорционально среднему за период значению. Однако, на практике, шкалу выпрямительных приборов всегда градуируют в среднеквадратичных значениях напряжения (тока) синусоидальной формы. Следовательно, в приборах с двухполупериодным выпрямлением все значения оцифрованных делений как бы умножены на коэффициент формы Кф = 1,11. Отсюда следует, что при измерении тока или напряжения несинусоидальной формы, полученный тосчет по шкале такого выпрямительного прибора сначала нужно разделить на 1,11 (получить выпрямленное значение измереяемой величины), а затем умножить на коэффициент формы, соответствующий форме реального сигнала. В приборах с однополупериодным выпрямлением вместо 1,11 подставляют 2,22.
Выпрямительные приборы получили широкое распространение в качестве комбинированных измерителей постоянного и переменного тока и напряжения классов мощности 1,5 и 2,5; с пределами измерения по току от 2 мА до 600 А; по напряжению от 0,3 до 600 В.
Достоинствами выпрямительных приборов являются высокая чувствительность, малое собственное потребление энергии и измерения в широком диапазоне частот. Частотный диапазон выпрямительных приборов определяется возможностями применяемых диодов. Применение точечных диодов обеспечивает изменение переменных токов и напряжений до частот порядка 10 4 …10 6 Гц. Основными источниками погрешностей этих приборов являются изменения параметров диодов с течением времени, влияние окружающей температуры, а также отклонение формы кривой измеряемого тока или напряжения от той, при которой произведена градуировка прибора.
Гальванометры.
Высокочувствительные магнитоэлектрические приборы для измерения очень маленьких токов и напряжений называются гальванометрами. Гальванометры часто используются в качестве нуль – индикаторов, фиксирующих отсутствие тока в цепи. У таких гальванометров нулевая отметка находится в середине шкалы.
Так как чувствительность гальванометров очень высока, их градуировочная характеристика нестабильна и зависит от совокупности внешних влияющих факторов. Поэтому, чувствительные гальванометры при выпуске из производства градуируются в единицах измеряемой физической величины и им не присваиваются классы точности. В качестве же метрологических характеристик гальванометров обычно указывают их чувствительность к току или напряжению и сопротивлению рамки. Чувствительность гальванометров зависит от способов применения (рамки внутри зазора постоянного магнита. Различают гальванометры с подвижной частью (рамкой) на кернах, на растяжках, на подвесе. Современные гальванометры позволяют измерять токи в пределах от 10 -5 …10 -12 А и напряжения до 10 -4 В.
аналоговые электромеханические приборы магнитоэлектрической системы относятся к числу наиболее точных и чувствительных. Так как рамка таких приборов намотана тонким проводом, это не позволяет пропускать через нее токи, превышающие десятки миллиампер. Превышение указанных значений может привести к повреждению провода рамки или спиральной пружинки. Т.О., возникает задача расширения пределов расширения пределов измерения магнитоэлектрических амперметров и вольтметров.
Расширение пределов измерения амперметров достигается включением шунта, параллельного прибору (рис.4.4).Сопротивление шунта Rш должно быть меньше сопротивления рамки прибораRр и подбирается так, чтобы при измерении основная часть измеряемого тока, проходящая через шунт, а ток, протекающий через рамку прибора, не превышал допустимого значения. Если необходимо иметь верхний предел измерения амперметраI, а верхний предел измерения без шунтаIа, то сопротивление шунта
Rш = Rр/ n-1 (4.11)
где n = I/Iа
Рисунок 4.4 Расширение пределов измерения
диапазонов амперметра
Амперметры для измерения сравнительно небольших токов (до нескольких десятков ампер) имеют внутренние шунты, вмонтированные в корпус прибора. Для измерения больших токов (до нескольких тысяч ампер) изменяются наружные шунты.
Для расширения пределов измерения вольтметра последовательно с сопротивлением рамки включается добавочное сопротивление Rд (рис.4.5), которое ограничивает
Рисунок 4.5 Расширение пределов измерения вольтметра
падение напряжения на рамке прибора до допустимых пределов. Если необходимо измерять напряжение Uв, то величина добавочного сопротивления должна быть
Rд =Rр *(n- 1) (4.12)
Добавочные сопротивления внутренними, встроенными в корпус вольтметра (при напряжении до 600 В) или наружными (при напряжении 600…1500 В). Наружные добавочные сопротивления выпускаются на определенные номинальные токи (от 0,5 до 30 мА) и имеют классы точности от 0,02 до 1. Шунты и добавочные сопротивления изготавливаются из материалов с высоким удельным сопротивлением, имеющих температурный коэффициент, близкий к нулю.
